风力发电用模块化高温超导励磁磁通切换电机机理及其控制系统研究

Large-scale wind power generation system has become the focus of the wind energy research areas since it is an effective means to reduce operation cost. However, the high-power wind power generation system possesses the drawbacks such as bulky volume, heavy weight and high probability of mechanism failure. In order to eliminate aforementioned disadvantages, this project proposes a new high-temperature superconductor (HTS) flux-switching machine, which mounts HTS field windings on the stator, to exploit the new direct-drive wind power generation system. The proposed machine offers the merits of both without rotating connection device, which is necessary for the kind of machines with rotor excitation, and employing the excellent performance of HTS field windings, namely, high critical current density. The aim of this project is to develop a HTS flux-switching machine with novel topology structure. Then the general methods of the basic principle, optimization design, electromagnetic parameters calculation, mathematical model and simulation analysis of the proposed machine will be established. Also, the efficiency optimization control and fault-tolerant control strategy of the proposed direct-drive wind power system will be investigated. The general rules and methods, which can be applied to the other HTS machines with stator current excitation, will be summarized. This investigation will provide the theoretical foundation and technical support for the application of the proposed wind system. Meanwhile, it will enrich the research contents for the direct-drive wind power system. This research possesses not only the important scientific significance and academic value but also a promising application prospect.

风力发电系统大型化是实现风电行业降低运营成本的有效手段之一，已成为风电领域的研究热点。针对现有大功率风电系统存在的体积大、质量重和机械故障率高等问题，本项目将高温超导材料引入定子励磁型电机作为励磁绕组，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接，进而提出了一种高功率密度高温超导励磁磁通切换电机及其构成的直驱型风力发电系统。本项目旨在开发出新颖的高温超导励磁磁通切换电机结构；研究该类电机的基本原理；建立该类电机设计与优化、电磁参数计算、数学建模和仿真分析的一般方法；探索该类电机构成的风电系统的效率优化控制策略；提出该类风电系统的容错控制策略；尝试总结出适用于其他定子励磁型超导电机的一般规律和方法。本项目的研究将为该类风电系统的应用提供理论基础和技术支持，同时也将丰富风电系统的研究内容，不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且具有广阔的应用前景。

随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势。风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生能源之一，凭借其可开发量大、分布区域广、安全环保等优点，在社会经济可持续发展中发挥着重要的作用。针对现有大功率风电系统存在的体积大、质量重和机械故障率高等问题，本项目将高温超导材料引入定子励磁型电机作为励磁绕组，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接，进而提出了一种高功率密度高温超导励磁磁通切换电机及其构成的直驱型风力发电系统。. 借鉴定子励磁型电机的磁动势源置于静止的定子侧用以产生气隙磁场这一思路，本项目将传统电励磁磁通切换电机与高温超导技术相结合，提出了模块化径向磁场及轴向磁场两类静态密封高温超导磁通切换电机拓扑结构，总结出了适合该类静态密封高温超导电机分析、设计、电磁参数计算和仿真分析的一般规律；针对高温超导励磁磁通切换电机的独特定子结构配置，提出了一种在高温超导励磁绕组发生故障，无励磁磁场时（包含失超工况），电机以开关磁阻发电机模式运行的容错控制策略；提出并制造了一种具有真空夹层的静态密封高温超导电机励磁用跑道型超导磁体，并在此基础上提出并构建了一套静态密封高温超导电机可变温低温冷却系统，从而保证了高温超导线材的超导性能；设计并制造了一台转子分段式静态密封高温超导励磁磁通切换电机样机，搭建了静态密封高温超导励磁磁通切换电机风力发电测试平台，试验结果表明，采用铋系高温超导线绕制的超导励磁绕组稳定运行于超导装态，同时，发电机端电压测试结果与有限元计算结果相吻合，验证了理论分析的正确性。. 综上，本项目研究了一种静态密封转子分段式高温超导磁通切换电机，该超导电机消除了动态密封高温超导电机所必需的结构复杂的低温传输耦合装置、力矩传输所必需的高强度力矩管以及提供励磁电流所必需的滑环和碳质电刷，降低了超导电机的加工难度和制造成本，同时大大提高了高温超导电机的运行可靠性。因此，所提出静态密封高温超导电机降低了超导电机的商业化门槛，对于高温超导电机的推广应用具有一定的推进作用。本项目的研究将为该类静态密封高温超导电机的应用提供理论基础和技术支持，同时也将丰富风电系统的研究内容，不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且具有较为广阔的应用前景。